Blowin’ in the Wind～風に吹かれて 風力発電 徹底解説1BY ALLEN HUANG

世界のエネルギー業界は今、大きな転換期を迎えています。この変革の最前線にあるのが、急速に成長している風力発電です。風力発電業界を代表する国際団体である世界風力エネルギー協議会（GWEC）の最新報告によると、2023年は業界にとって過去2番目に成長した年となり、設置容量は前年比で50％増加しました。すでに多くの国々が大きな成果を上げており、例えば、デンマークは2023年、電力の57.7％を風力発電で賄い、過去最高を記録しました。スペインも、風力発電への大規模な投資を行い、その結果、全体の発電量の約4分の1を風力が占めるようになっています。

広大な国土を持つアメリカでは、風力発電の導入が盛んで、テキサス州やアイオワ州では風力発電が主要な電力源となっています。現在、風力は総エネルギー供給の10％、新規電力容量の22％を占めており、既存のインフラと合わせて4,300万世帯分の電力を賄う能力を備えています。

ドイツでも、カーボンニュートラル社会への大きな貢献が期待され、風力発電は温室効果ガスの排出削減に重要な役割を果たしています。ドイツは、歴史的に最も重要なエネルギー源であった石炭を超え、2023年には風力発電が最大の電力源になると予想されています。これらの国々の風力発電導入は、信頼性が高く環境に配慮した電源への移行を証明しています。

風力発電は、大型の風力タービンを使用して、風の運動エネルギーを電気に変換します。水平軸または垂直軸を持つこれらのタービンには、風のエネルギーを捉えるブレードが装備されています。風が吹くとブレードが回転し、この回転運動によりローターが回り、風の運動エネルギーが機械エネルギーに変換されます。

回転するローターの機械エネルギーは、ダイレクトドライブシステムを通じて発電機に伝わります。このシステムでは、回転するブレードが直接発電機に接続されているため、ギアが不要となり、故障のリスクが減少します。この仕組みにより、タービンはスムーズに動作し、故障の原因となる部品が少なくて済み、メンテナンスも軽減されます。

発電機は、タービンの上部にあるナセルというケース内に収納され、機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。ナセルはタービンの重要な部品を保護し、効率的に電力を生成します。

風力で得られる電力量はワットで測定され、風速の3乗に比例します。つまり、風速が2倍になると、風力で得られる電力量は8倍に増加します。したがって、風速がわずかに上昇するだけで、風から得られる電力量が大幅に増加する可能性があります。つまり、平均風速が高い地域は、他地域と比べ、風力発電の潜在的ポテンシャルが大幅に高くなります。

風速は通常、地上からの高さとともに増加するため、背の高い風力発電はより多くのエネルギーを取り込むことができます。地面近くの空気が木や建物などの表面との摩擦によって減速されるため、風力発電のタービンが高ければ高いほど、風を減速させる摩擦が減少し、風はよりスムーズかつ迅速に流れることになります。

したがって、背の高い風力発電は、より高く設置することにより、より強く、より滑らかで、より安定した風を捉えることができるため、より多くのエネルギーを生成することができます。小規模風力タービンの場合、年間平均風速が最低でも時速9マイル（mph）、つまり毎秒4.0メートル（m/s）に達する場所に設置するのが最適だと言われています。

実用的な大規模風力発電の場合、理想的な年間平均風速は少なくとも時速13マイル（5.8m/s）である必要があります。ここでの「実用的」とは、大規模な発電に使用される大型風力タービンを指し、通常は電力網に接続されてエネルギーを供給します。

風力発電を活用して大容量の電力を生成する方法は2種類あります。陸上風力発電は陸上にあり、洋上風力発電は水域、通常は海上に設置されます。各国が再生可能エネルギーへの移行を進める中、近年、両者の技術が大きく進歩しています。

陸上風力発電はより長い歴史があり、風力技術は1000年以上も前から実現されています。陸上風力発電の場合、発電された電力は、タワー内の電力ケーブルを通って基部にある変圧器に送られます。変圧器は電気の電圧を上げて、長距離にわたって電力網に効率的な送電をしています。さらに変圧器から、電力網に入り供給されます。陸上風力発電は、洋上風力発電に比べて建設と維持コストが低い場合が多く、特定の場所では実用的な選択肢となっています。

一方、世界初の洋上風力発電は1991年にデンマークで建設されました。歴史は浅いものの、洋上風力は陸上風力に比べていくつかの利点があるため、急速に成長しています。洋上は、陸上よりも風速が高く安定している傾向があり、広大な海洋スペースにより、より大きなタービンと風力発電の設置が可能となります。洋上風力エネルギーの主な利点の1つは、タービンのサイズと規模です。陸上風力発電に比べてスペースの制約が少ないため、洋上設備では、より大きなローター直径とより高いタワーを実現することが可能となります。これにより、より多くの風力エネルギーを捕捉し、潜在的な出力の最大化が実現できます。これらのタービンは、水深や環境条件に応じて、通常、洋上風力発電は海岸から数マイル離れた場所に設置され、より強い風を利用しながら、近隣のコミュニティへの視覚的および騒音の影響を最小限に抑えます。洋上風力タービンによって生成された電気はケーブルを通じて陸上に送られ、電力網に供給されます。